Patrick Gasda ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Weltraumwissenschaft und -anwendungen am Los Alamos National Laboratory. Als Mitglied des OrganiCam-Teams arbeitet er zusammen mit Teamleiter Roger Wiens an der Untersuchung der Geochemie und Astrobiologie von Europa. Die Konzeptphase von OrganiCam wird durch das Laboratory Directed Research and Development Programm finanziert. Gasda hat diesen Artikel zu Space.com’s Expert Voices beigetragen: Op-Ed & Insights.
In der enttäuschenden Abwesenheit kleiner grüner Außerirdischer auf einem der Jupitermonde oder einer kanalbauenden Zivilisation auf dem Mars stößt die Suche nach Leben außerhalb der Erde an die Grenzen unserer wissenschaftlichen und technologischen Fähigkeiten. Wenn wir dort draußen Leben finden, wird es winzig sein, auf molekularer Ebene.
Nach einem erfolgreichen Start Ende Juli segelt der NASA-Rover Perseverance auf seiner siebenmonatigen Reise zum Mars lautlos durch den Weltraum, wo er den Jezero-Krater nach Hinweisen auf Bewohnbarkeit und Leben absuchen wird. In diesem friedlichen Zwischenspiel vor der Landung des Rovers auf dem Roten Planeten Anfang nächsten Jahres haben wir Zeit, über künftige Missionen zur Suche nach Leben auf anderen Planeten im Sonnensystem nachzudenken.
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Diese Missionen werden nach biologischen organischen Molekülen suchen, den auf Kohlenstoff basierenden Bausteinen, aus denen alle uns bekannten Lebewesen bestehen. Denn wenn wir auf dem Mars oder anderswo Leben – oder Beweise für früheres Leben – finden, dann wird es sich nicht um einen kleinen grünen Außerirdischen handeln. Es wird ein Biomolekül oder versteinertes bakterielles Leben sein.
Die Suche konzentriert sich auf bewohnbare Umgebungen auf dem Mars und darüber hinaus. Jüngste Missionen zu den äußeren Planeten haben Anzeichen von Wasserdampfschwaden vom Jupitermond Europa beobachtet, was die verblüffende Möglichkeit organischer Moleküle auf seiner Oberfläche aufwirft, die aus dem Ozean darunter stammen. Raumsonden haben organische Moleküle in den Abgasen des Saturnmondes Enceladus entdeckt. Kürzlich flog die NASA-Raumsonde Dawn bis auf 35 Kilometer an die Oberfläche von Ceres heran, einem Zwergplaneten im Asteroidengürtel, und entdeckte dort Sole und ein wahrscheinlich riesiges, tiefes Reservoir an flüssigem Salzwasser.
Das sind alles Orte, an denen wir mit höchster Priorität suchen müssen.
Als einer der wahrscheinlichsten Orte, an denen Leben zu finden ist – und sicherlich der nächstgelegene – zieht der Mars weiterhin unsere Aufmerksamkeit auf sich. Obwohl das kalte, trockene Land, die dünne Atmosphäre und die extreme Strahlung an der Oberfläche lebensfeindlich sind, hat der NASA-Rover Curiosity, der derzeit den Mars erkundet, organische Moleküle gefunden. Aber sind sie biologisch? Das ist schwer zu sagen, denn alle Moleküle auf der Oberfläche wären im Laufe der Jahrmillionen durch die Strahlung stark beschädigt worden.
Biologische organische Stoffe könnten in den Lavaröhrenhöhlen des Mars weiter verbreitet sein. Tief im Untergrund verborgen, könnte das Leben einst gediehen sein – oder ist es immer noch? – in salzhaltigen Solen, die aus den heute verschwundenen Seen an der Oberfläche austreten. Salziges Wasser hat eine niedrigere Gefriertemperatur als normales Wasser, und die Wärme des Marsmantels in den Tiefen des Untergrunds könnte das Wasser flüssig halten.
Um herauszufinden, ob sich auf dem Mars organische Moleküle gebildet haben könnten, müssen wir Instrumente schicken, die diese Frage beantworten können. Die meisten bekannten Lavaröhren auf dem Mars haben mindestens ein Oberlicht, das zur Oberfläche führt. Wir wissen zwar nicht, wie tief diese Höhlen sind, aber ihre Mündungen sind 91 Meter breit, und es wird angenommen, dass einige mindestens 0,4 km tief in die Erde hinabreichen.
Warum nicht hineinfliegen? Dazu müssen unsere Instrumente einfach, robust, leicht und kompakt sein. Das Gleiche gilt für den Einsatz von Instrumenten in der rauen, eisigen und stark strahlenden Umgebung von Europa, Enceladus oder Ceres. Um diese anspruchsvollen Kriterien zu erfüllen, hat das Los Alamos National Laboratory seine Erfahrung bei der Entwicklung und dem Einsatz von Instrumenten für die Weltraumforschung genutzt, um ein neues Modell, die OrganiCam, zu entwickeln.
Leben auf dem Mars: Erforschung und Nachweis
Ein in Los Alamos entwickeltes Vorläuferinstrument, ChemCam, erforscht derzeit den Mars mit dem Rover Curiosity. Hoch oben auf dem Mast des Rovers feuert ChemCam einen Infrarot-Laserstrahl auf Felsen und Böden, wodurch ein heißes Plasma entsteht. Das Instrument misst dann die Farben des Lichts im Plasma, die Aufschluss über die elementare Zusammensetzung des Gesteins geben. Eine Kamera liefert hochdetaillierte Fotos von den Laserzielen, die den Wissenschaftlern auch bei der Bestimmung der Oberflächengeologie helfen.
Die Entdeckungen der ChemCam haben unser Wissen über den Mars als einst wärmeren und bewohnbareren Planeten vertieft, unser Verständnis der Geologie des Planeten revolutioniert und uns dazu veranlasst, unsere Schätzungen der früheren Häufigkeit von Oberflächenwasser und Sauerstoff in der Atmosphäre – beides Voraussetzungen für Leben – nach oben zu korrigieren.
Die SuperCam, die gemeinsam von Los Alamos und der französischen Raumfahrtbehörde entwickelt wurde, ist die ChemCam auf Steroiden. Die SuperCam, die jetzt im Rahmen der Mars 2020-Mission von Perseverance zum Mars fliegt, kombiniert die chemischen Fernerkundungsfähigkeiten und die Bildgebung der ChemCam mit zwei mineralogischen Techniken, wodurch sie noch besser in der Lage ist, Verbindungen aufzuspüren, die mit der Möglichkeit von Leben in Verbindung stehen. Darüber hinaus kann sie über ein Mikrofon Geräusche aufzeichnen – eine Premiere auf dem Mars.
Als nächster Zweig des Stammbaums bringt die OrganiCam weitere Innovationen mit sich, darunter die einzigartige schnelle Fluoreszenz-Bildgebung, mit der nicht nur organische Stoffe, sondern auch Biomoleküle nachgewiesen werden können. Und so funktioniert es. Biologische organische Moleküle emittieren bei Anregung durch den Laser schnelle Lichtstöße (etwa 100 Nanosekunden). Andere Materialien, wie z. B. Gestein, emittieren das Licht jedoch langsamer (Mikrosekunden bis Millisekunden). OrganiCam verwendet dieselbe superschnelle Kamera wie SuperCam, um diese schnellen Emissionen zu messen, so dass wir biologische Signale von den Hintergrundgesteinen unterscheiden können. Im nächsten Schritt der Instrumentenanalyse identifiziert die Raman-Spektroskopie die molekulare Struktur der biologischen Materialien, so dass wir Kalkstein von vulkanischem Gestein unterscheiden können.
OrganiCam verfügt außerdem über extrem strahlungsbeständige Linsen, eine höhere Energieeffizienz und ein leichteres und kompakteres Design als ihre Vorgänger, so dass eine kleine Drohne sie zu weitaus mehr Orten auf dem Mars tragen könnte, als dies mit einem Rover möglich wäre. Noch besser wäre es, wenn eine Drohne das Instrument tief in eine der Lavaröhren-Höhlen bringen könnte. Die OrganiCam könnte auch leicht für eine Mission auf einer eisigen Welt angepasst werden. (Hier können Sie sich ein Video über OrganiCam ansehen.)
OrganiCam kann auch für irdischere Zwecke eingesetzt werden. Sie kann biologisches Material in einzigartigen Proben zerstörungsfrei aufspüren, z. B. in Material, das von Missionen von den äußeren Planeten und Asteroiden zurückkommt, und sie kann das Vorhandensein von biologischen Organismen in Reinräumen, Krankenhäusern oder anderen sterilen Einrichtungen beurteilen, um die Ausbreitung von Infektionen oder Verunreinigungen in industriellen Prozessen einzudämmen.
Das sind zwar lohnende Aufgaben für dieses neue Instrument, aber für die Mitglieder des Teams in Los Alamos, das die OrganiCam entwickelt hat, ist die Verlockung, Beweise für Leben auf einem anderen Planeten, einem Mond, einem Asteroiden oder einem Kometen zu finden, die überwältigende Motivation. Eine Entdeckung dieser Größenordnung ist der Traum eines jeden Wissenschaftlers. Ich hoffe, wir bekommen die Chance dazu.
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